JP2009158379A - Fuel cell system and control method for fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system and its control method for restraining a pumping means for circulating reaction gas from freezing even though electrical power such as a battery and an external power source is not used after stopping the system. <P>SOLUTION: A control section 50 performs heating control wherein temperature of a hydrogen circulation pump 12 is increased so as to make temperature of the hydrogen circulation pump 12 higher than the temperature of a piping of a hydrogen circulation passage L2 in the vicinity (front and behind) of the hydrogen circulation pump 12 when stopping of the system. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof.

従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。   Conventionally, a fuel gas (for example, hydrogen) is supplied to the fuel electrode, and an oxidant gas (for example, air) is supplied to the oxidant electrode, and these gases are reacted electrochemically to generate power. There is known a fuel cell system including a fuel cell for performing the above.

例えば、特許文献１には、温度制御の観点から、酸化剤ガスに対応する循環系を備える燃料電池システムが開示されている。具体的には、この燃料電池システムでは、燃料電池の酸化剤極を通過した排ガスの一部を、酸化剤極に一次的に供給される空気に合流させることにより、排出ガスを燃料電池に循環させている。   For example, Patent Document 1 discloses a fuel cell system including a circulation system corresponding to an oxidant gas from the viewpoint of temperature control. Specifically, in this fuel cell system, a part of the exhaust gas that has passed through the oxidant electrode of the fuel cell is joined to the air that is primarily supplied to the oxidant electrode, thereby circulating the exhaust gas to the fuel cell. I am letting.

例えば、特許文献２には、燃費向上の観点から、燃料ガスに対応する循環系を備える燃料電池システムが開示されている。具体的には、この燃料電池システムでは、燃料極から排出される未反応の燃料ガスを、燃料極に一次的に供給される燃料ガスに合流させ、循環させている。   For example, Patent Document 2 discloses a fuel cell system including a circulation system corresponding to fuel gas from the viewpoint of improving fuel efficiency. Specifically, in this fuel cell system, unreacted fuel gas discharged from the fuel electrode is joined to the fuel gas primarily supplied to the fuel electrode and circulated.

ここで、例えば、特許文献３には、燃料電池システムの運転停止後における低温環境下において、循環系における循環ポンプ（特許文献では、燃料ガスの循環系における循環ポンプ）の凍結固着を抑制する手法について開示されている。具体的には、システムの停止後に、温度計によって測定された循環ポンプ内の温度が第１の閾値以下となったことに応じて、システムコントローラが、循環ポンプを低速回転駆動させるよう制御し、第２の閾値以下となったことに応じて低速回転駆動させた循環ポンプを停止させる。
特開平７−１６１３７１号公報 特開２００７−１８４１９６号公報 特開２００７−３５５１７号公報 Here, for example, Patent Literature 3 discloses a technique for suppressing freezing and sticking of a circulation pump in a circulation system (in Patent Literature, a circulation pump in a circulation system of fuel gas) in a low temperature environment after the operation of the fuel cell system is stopped. Is disclosed. Specifically, after the system is stopped, in response to the temperature in the circulation pump measured by the thermometer being equal to or lower than the first threshold, the system controller controls the circulation pump to rotate at a low speed, The circulating pump that has been driven to rotate at a low speed is stopped in response to being below the second threshold.
JP-A-7-161371 JP 2007-184196 A JP 2007-35517 A

ところで、特許文献３に開示された手法によれば、システムの停止後に循環ポンプを駆動するため、バッテリや外部電源等の電力を利用する必要がある。   By the way, according to the method disclosed in Patent Document 3, it is necessary to use power such as a battery or an external power source in order to drive the circulation pump after the system is stopped.

本発明の目的は、システム停止後にバッテリや外部電源等の電力の利用をしなくとも、反応ガスを循環させるポンプ手段の凍結を抑制することである。   An object of the present invention is to suppress freezing of pump means for circulating a reaction gas without using electric power such as a battery or an external power source after the system is stopped.

かかる課題を解決するために、本発明は、制御手段が、システムの停止時に実行する停止処理において、反応ガス供給流路の配管温度よりもポンプ手段の温度が高くなるように、ポンプ手段の温度を増加させる加熱制御を行う。   In order to solve such a problem, the present invention relates to the temperature of the pump unit so that the temperature of the pump unit is higher than the piping temperature of the reaction gas supply flow path in the stop process executed by the control unit when the system is stopped. Heating control to increase

本発明によれば、システム停止後の放置中では、温度の低い反応ガス循環流路の配管に多くの凝縮水が発生するので、ポンプ手段への凝縮水の付着を抑制することができる。そのため、システム停止後にバッテリや外部電源等の電力の利用をしなくとも、ポンプ手段の凍結を抑制することができる。   According to the present invention, since a lot of condensed water is generated in the piping of the reactive gas circulation passage having a low temperature during the standing after the system is stopped, the adhesion of the condensed water to the pump means can be suppressed. Therefore, freezing of the pump means can be suppressed without using power such as a battery or an external power source after the system is stopped.

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。 (First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. The fuel cell system is mounted on, for example, a vehicle that is a moving body, and the vehicle is driven by electric power supplied from the fuel cell system.

燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック（燃料電池）１を備える。この燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらの反応ガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。   A fuel cell system is a fuel cell stack (fuel cell) in which a fuel cell structure in which a fuel electrode and an oxidant electrode are opposed to each other with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween is sandwiched between separators, and a plurality of these are stacked. ) 1 is provided. In the fuel cell stack 1, fuel gas is supplied to the fuel electrode, and oxidant gas is supplied to the oxidant electrode, so that these reaction gases react electrochemically to generate electric power. In this embodiment, a case where hydrogen is used as the fuel gas and air is used as the oxidant gas will be described.

燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系とが備えられている。   The fuel cell system includes a hydrogen system for supplying hydrogen to the fuel cell stack 1, an air system for supplying air to the fuel cell stack 1, and a cooling system for cooling the fuel cell stack 1. It has been.

水素系において、燃料ガスである水素は、例えば、高圧水素ボンベといった燃料タンク（反応ガス供給手段）１０に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路（反応ガス供給流路）Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１０の下流には燃料タンク元バルブ（図示せず）が設けられており、この燃料タンク元バルブが開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧バルブ（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧バルブよりも下流に設けられた水素調圧バルブ１１によって所望の圧力に調圧され、燃料電池スタック１に供給される。   In the hydrogen system, hydrogen, which is a fuel gas, is stored in a fuel tank (reactive gas supply means) 10 such as a high-pressure hydrogen cylinder, and the hydrogen supply flow path (reactive gas supply flow path) L1 from the fuel tank 10 is stored. To the fuel cell stack 1. Specifically, a fuel tank original valve (not shown) is provided downstream of the fuel tank 10, and when the fuel tank original valve is opened, the high-pressure hydrogen gas from the fuel tank 10 flows downstream thereof. The pressure is mechanically reduced to a predetermined pressure by a pressure-reducing valve (not shown) provided in the. The decompressed hydrogen gas is regulated to a desired pressure by a hydrogen regulation valve 11 provided downstream of the decompression valve, and supplied to the fuel cell stack 1.

個々の燃料極から排出されるガス（未使用の水素を含むガス）は、燃料電池スタック１から水素循環流路（反応ガス循環流路）Ｌ２に排出される。この水素循環流路Ｌ２は、他方の端部が水素調圧バルブ１１よりも下流側の水素供給流路Ｌ１に接続されている。この水素循環流路Ｌ２には、例えば、水素循環ポンプ（ポンプ手段）１２といった循環手段が設けられている。この水素循環ポンプ１２を駆動することにより、水素循環流路Ｌ２を介して、燃料電池スタック１から排出される排出ガスを、水素供給流路Ｌ１を流れる燃料タンク１０からの反応ガスに合流させて燃料電池スタック１の燃料極に循環させる。   Gases discharged from the individual fuel electrodes (gases containing unused hydrogen) are discharged from the fuel cell stack 1 to the hydrogen circulation channel (reactive gas circulation channel) L2. The other end of the hydrogen circulation channel L <b> 2 is connected to the hydrogen supply channel L <b> 1 on the downstream side of the hydrogen pressure regulating valve 11. In this hydrogen circulation flow path L2, for example, a circulation means such as a hydrogen circulation pump (pump means) 12 is provided. By driving the hydrogen circulation pump 12, the exhaust gas discharged from the fuel cell stack 1 is joined to the reaction gas from the fuel tank 10 flowing through the hydrogen supply flow path L1 via the hydrogen circulation flow path L2. Circulate to the fuel electrode of the fuel cell stack 1.

また、この水素循環流路Ｌ２は、水素循環ポンプ１２を基準としてその上流側の配管および下流側の配管が、水素循環ポンプ１２よりも外気に対する温度低下速度が大きくなるように、例えば、配管の薄肉化がなされている。この薄肉化の領域は、なるべく長い範囲で設定することが好ましい。   In addition, the hydrogen circulation flow path L2 is configured so that, for example, the piping of the upstream side and the downstream side of the hydrogen circulation pump 12 have a higher temperature decrease rate than the hydrogen circulation pump 12 with respect to the outside air. Thinning has been made. It is preferable to set the thinning region as long as possible.

燃料電池スタック１では、燃料極および酸化剤極における水素と空気との反応に伴って水が生成される。生成水はとくに酸化極側で生じやすいが、電解質膜を通して燃料極側へと移動するため、この生成水が水素循環流路Ｌ２へと流入し、水素循環ポンプ１２等に不具合を生じさせる可能性がある。さらに、この生成水が燃料電池スタック１へと流入した場合には、燃料極の反応面積を減少させるといった水詰り（フラッティング）の問題が生じる可能性もある。そのため、水素循環流路Ｌ２には、水素循環ポンプ１２よりも上流側に、循環ガス（燃料電池スタック１の燃料極からの排出ガス）を、燃料ガスと水とに分離する気液分離装置１３が設けられている。気液分離装置１３には、排出流路が接続されており、この排出流路に設けられた排水バルブ１４を開状態に設定することにより、気液分離装置１３の内部に貯留する生成水を排出することができる。   In the fuel cell stack 1, water is generated with the reaction between hydrogen and air at the fuel electrode and the oxidant electrode. The generated water is likely to be generated particularly on the oxidation electrode side, but moves to the fuel electrode side through the electrolyte membrane, so that this generated water flows into the hydrogen circulation flow path L2 and may cause problems in the hydrogen circulation pump 12 and the like. There is. Further, when this generated water flows into the fuel cell stack 1, there is a possibility that a problem of water clogging (flatting) such as reducing the reaction area of the fuel electrode may occur. Therefore, a gas-liquid separation device 13 that separates the circulating gas (exhaust gas from the fuel electrode of the fuel cell stack 1) into the fuel gas and water upstream of the hydrogen circulation pump 12 in the hydrogen circulation channel L2. Is provided. A discharge channel is connected to the gas-liquid separator 13, and the generated water stored in the gas-liquid separator 13 is stored by setting the drain valve 14 provided in the discharge channel to an open state. Can be discharged.

ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、空気中の不純物が酸化剤極から燃料極に透過するため、燃料極および水素循環流路Ｌ２を含む循環系内の不純物が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。ここで、不純物は、燃料ガスである水素以外の非燃料ガス成分であり、代表的には窒素を挙げることができる。不純物量が多くなりすぎると、燃料電池スタック１からの出力が低下したりするため、循環系内の不純物量を管理する必要がある。そこで、水素循環流路Ｌ２には、循環ガスを外部に排出するパージ流路Ｌ３が設けられている。パージ流路Ｌ３には、パージバルブ１５が設けられており、このパージバルブ１５の開き量およびその時間を調整することにより、パージ流路Ｌ３を介して外部に排出される不純物量を調整することができる。これにより、燃料極および水素循環流路Ｌ２内に存在する不純物量が、発電性能を維持できるように管理される。   By the way, in the case of using air as the oxidant gas, since impurities in the air permeate from the oxidant electrode to the fuel electrode, impurities in the circulation system including the fuel electrode and the hydrogen circulation flow path L2 increase, resulting in a hydrogen partial pressure. Tend to decrease. Here, the impurity is a non-fuel gas component other than hydrogen which is a fuel gas, and a typical example is nitrogen. If the amount of impurities becomes too large, the output from the fuel cell stack 1 will decrease, so it is necessary to manage the amount of impurities in the circulation system. Therefore, the hydrogen circulation flow path L2 is provided with a purge flow path L3 for discharging the circulation gas to the outside. A purge valve 15 is provided in the purge flow path L3, and the amount of impurities discharged to the outside through the purge flow path L3 can be adjusted by adjusting the opening amount and the time of the purge valve 15. . Thereby, the amount of impurities present in the fuel electrode and the hydrogen circulation passage L2 is managed so that the power generation performance can be maintained.

また、本実施形態では、水素循環ポンプ１２には、これを冷却液によって冷却するためのポンプ冷却流路Ｌ４が設けられている。このポンプ冷却流路Ｌ４は、冷却液（例えば、冷却水）が循環する閉ループ状の流路であり、この流路により冷却液が水素循環ポンプ１２に供給される。ポンプ冷却流路Ｌ４には、冷却水を循環させる循環ポンプ（以下、必要に応じて「ポンプ冷却用循環ポンプ」という）１７が設けられている。この循環ポンプ１７を動作させることにより、ポンプ冷却流路Ｌ４内の冷却水が循環する。ポンプ冷却流路Ｌ４には、ラジエータ（ポンプ冷却手段）１８が設けられており、このラジエータ１８には、ラジエータ１８を送風するファン１９が設けられている。水素循環ポンプ１２の冷却によって温度が上昇した冷却水は、ポンプ冷却流路Ｌ４を経由して、ラジエータ１８に流れ、ラジエータ１８によって冷却される。冷却された冷却水は、再度水素循環ポンプ１２に供給される。ポンプ冷却流路Ｌ４における冷却水の温度は、ファン１９の回転数、ポンプ冷却用循環ポンプ１７の回転数を制御することにより、調整することができる。さらに、ポンプ冷却流路Ｌ４には、ポンプ冷却用循環ポンプ１７と水素循環ポンプ１２との間に加熱用ヒータ（冷却液加熱手段）２０が設けられている。この加熱用ヒータ２０によってポンプ冷却流路Ｌ４を流れる冷却水を加熱することにより、この冷却水を介して水素循環ポンプ１２を加熱することができる。   In the present embodiment, the hydrogen circulation pump 12 is provided with a pump cooling flow path L4 for cooling it with the coolant. This pump cooling flow path L4 is a closed loop flow path through which a cooling liquid (for example, cooling water) circulates, and the cooling liquid is supplied to the hydrogen circulation pump 12 through this flow path. The pump cooling flow path L4 is provided with a circulation pump (hereinafter referred to as “pump cooling circulation pump”) 17 for circulating the cooling water. By operating the circulation pump 17, the cooling water in the pump cooling flow path L4 circulates. A radiator (pump cooling means) 18 is provided in the pump cooling flow path L <b> 4, and a fan 19 that blows the radiator 18 is provided in the radiator 18. The cooling water whose temperature has risen due to cooling of the hydrogen circulation pump 12 flows to the radiator 18 via the pump cooling flow path L4 and is cooled by the radiator 18. The cooled cooling water is supplied to the hydrogen circulation pump 12 again. The temperature of the cooling water in the pump cooling flow path L4 can be adjusted by controlling the rotational speed of the fan 19 and the rotational speed of the pump cooling circulation pump 17. Further, a heater (coolant heating means) 20 is provided between the pump cooling circulation pump 17 and the hydrogen circulation pump 12 in the pump cooling flow path L4. By heating the cooling water flowing through the pump cooling flow path L4 by the heating heater 20, the hydrogen circulation pump 12 can be heated via the cooling water.

なお、本実施形態では、ポンプ冷却流路Ｌ４は、特段図示しないが、システムを構成する他の補機等も冷却にも利用される構成となっている。そのため、ポンプ冷却流路Ｌ４を流れる冷却水は、水素循環ポンプ１２の管理温度のみならず、他の補機等の管理温度も考慮して、その設定温度が設定されている（例えば、５０℃）。この設定温度は、後述する燃料電池スタック１の冷却系における冷却液のそれよりも相対的に低くなる関係となっている。   In the present embodiment, the pump cooling flow path L4 is not particularly shown, but has a configuration in which other auxiliary machines constituting the system are also used for cooling. Therefore, the set temperature of the cooling water flowing through the pump cooling flow path L4 is set in consideration of not only the management temperature of the hydrogen circulation pump 12 but also the management temperature of other auxiliary machines (for example, 50 ° C.). ). This set temperature has a relationship of being relatively lower than that of the coolant in the cooling system of the fuel cell stack 1 described later.

空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ３０によって取り込まれるとともに加圧され、加圧された空気は、空気供給流路Ｌ５を介して燃料電池スタック１に供給される。酸化剤極から排出されるガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ６を介して外部に排出される。この空気排出流路Ｌ６には、燃料電池スタック１へ供給される空気の圧力を調整する空気調圧バルブ３１が設けられている。   In the air system, for example, air that is an oxidant gas is pressurized while the atmosphere is taken in by the compressor 30, and the pressurized air is supplied to the fuel cell stack 1 via the air supply flow path L <b> 5. Gas discharged from the oxidizer electrode (air in which oxygen has been consumed) is discharged to the outside through the air discharge flow path L6. An air pressure adjusting valve 31 that adjusts the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 1 is provided in the air discharge channel L6.

冷却系は、燃料電池スタック１を冷却する冷却液（冷却水）が循環する閉ループ状のスタック冷却流路（燃料電池冷却流路）Ｌ７を有しており、このスタック冷却流路Ｌ７には、冷却水を循環させる循環ポンプ（以下、必要に応じて「スタック冷却用循環ポンプ」という）４０が設けられている。この循環ポンプ４０を動作させることにより、スタック冷却流路Ｌ７内の冷却水が循環する。スタック冷却流路Ｌ７には、ラジエータ（燃料電池冷却手段）４１が設けられており、このラジエータ４１には、ラジエータ４１を送風するファン４２が設けられている。燃料電池スタック１の冷却によって温度が上昇した冷却水は、スタック冷却流路Ｌ７を経由して、ラジエータ４１に流れ、ラジエータ４１によって冷却される。冷却された冷却水は、燃料電池スタック１に供給される。スタック冷却流路Ｌ７は、燃料電池スタック１内においてその流路が細かく分岐しており、これにより、燃料電池スタック１は、その内部が全体に亘って冷却されるようになっている。   The cooling system has a closed loop stack cooling flow path (fuel cell cooling flow path) L7 through which a cooling liquid (cooling water) for cooling the fuel cell stack 1 circulates. A circulation pump (hereinafter referred to as “stack cooling circulation pump”) 40 for circulating the cooling water is provided. By operating the circulation pump 40, the cooling water in the stack cooling flow path L7 circulates. The stack cooling flow path L7 is provided with a radiator (fuel cell cooling means) 41. The radiator 41 is provided with a fan 42 that blows the radiator 41. The cooling water whose temperature has been increased by cooling the fuel cell stack 1 flows to the radiator 41 via the stack cooling flow path L7 and is cooled by the radiator 41. The cooled cooling water is supplied to the fuel cell stack 1. The flow path of the stack cooling flow path L7 is finely branched in the fuel cell stack 1, so that the interior of the fuel cell stack 1 is cooled throughout.

スタック冷却流路Ｌ７には、燃料電池スタック１から排出された冷却水を、ラジエータ４１を迂回させて燃料電池スタック１に循環させるバイパス流路Ｌ８が設けられている。スタック冷却流路Ｌ７からバイパス流路Ｌ８へと分岐する分岐部位には、バイパス流路Ｌ８とスタック冷却流路Ｌ７のラジエータ４１側とに対する流量配分を調整する三方弁４３が設けられている。スタック冷却流路Ｌ７における冷却水の温度は、スタック冷却用循環ポンプ４０の回転数、ファン４２の回転数、三方弁４３の開度を制御することにより、調整することができる。スタック冷却流路Ｌ７における冷却水は、燃料電池スタック１の発電特性等を考慮して、その設定温度が、例えば、６０℃〜９０℃程度に設定されている。   The stack cooling flow path L7 is provided with a bypass flow path L8 that circulates the cooling water discharged from the fuel cell stack 1 to the fuel cell stack 1 by bypassing the radiator 41. A three-way valve 43 that adjusts the flow distribution between the bypass flow path L8 and the radiator 41 side of the stack cooling flow path L7 is provided at a branch portion that branches from the stack cooling flow path L7 to the bypass flow path L8. The temperature of the cooling water in the stack cooling flow path L7 can be adjusted by controlling the rotation speed of the stack cooling circulation pump 40, the rotation speed of the fan 42, and the opening of the three-way valve 43. The set temperature of the cooling water in the stack cooling flow path L7 is set to about 60 ° C. to 90 ° C., for example, considering the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 and the like.

燃料電池スタック１には、図示しない電力取出装置が接続されている。この電力取出装置は、燃料電池スタック１から電流を取り出すことにより、燃料電池スタック１において発電された電力を、車両を駆動する電動モータ２等に供給する。また、電力取出装置には、電動モータ２と並列的に、二次電池３が接続されている。この二次電池３は、第１に、燃料電池スタック１で発電を行うために動作させる種々の補機（例えば、水素循環ポンプ１２やコンプレッサ３０）に対して、それを駆動するために必要な電力を供給する。第２に、システムに要求される電力（要求電力）に対し、燃料電池スタック１における発電電力が不足する場合、不足分の電力を電動モータ２に供給する。第３に、燃料電池スタック１の発電電力が要求電力に対して余剰となった場合、余剰分の電力を蓄電し、また、電動モータ２の回生電力を蓄電する。   The fuel cell stack 1 is connected to a power extraction device (not shown). The power extraction device extracts electric current from the fuel cell stack 1 to supply electric power generated in the fuel cell stack 1 to an electric motor 2 that drives the vehicle. Further, a secondary battery 3 is connected to the power take-out device in parallel with the electric motor 2. First, the secondary battery 3 is necessary for driving various auxiliary machines (for example, the hydrogen circulation pump 12 and the compressor 30) that are operated to generate power in the fuel cell stack 1. Supply power. Secondly, when the power generated in the fuel cell stack 1 is insufficient with respect to the power required for the system (required power), the insufficient power is supplied to the electric motor 2. Third, when the generated power of the fuel cell stack 1 becomes surplus with respect to the required power, the surplus power is stored and the regenerative power of the electric motor 2 is stored.

制御部（制御手段）５０は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、システムの運転状態を制御する。制御部５０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部５０は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力し、水素調圧バルブ１１、水素循環ポンプ１２、パージバルブ１５、ポンプ冷却用循環ポンプ１７、加熱用ヒータ２０、コンプレッサ３０、空気調圧バルブ３１、スタック冷却用循環ポンプ４０、三方弁４３といった種々の要素を制御する。   The control unit (control means) 50 has a function of controlling the entire system in an integrated manner, and controls the operating state of the system by operating according to the control program. As the control unit 50, a microcomputer mainly composed of a CPU, a ROM, a RAM, and an I / O interface can be used. The control unit 50 performs various calculations based on the state of the system, outputs the calculation results to various actuators (not shown) as control signals, and supplies a hydrogen pressure regulating valve 11, a hydrogen circulation pump 12, a purge valve. 15, various elements such as a pump cooling circulation pump 17, a heater 20, a compressor 30, an air pressure adjustment valve 31, a stack cooling circulation pump 40, and a three-way valve 43 are controlled.

制御部５０には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。ポンプ温度センサ５１は、水素循環ポンプ１２の温度を検出する。スタック入口温度センサ５２は、燃料電池スタック１に流入するスタック冷却用の冷却水の温度（以下「スタック入口温度」という）を検出する。スタック出口温度センサ５３は、燃料電池スタック１から流出するスタック冷却用の冷却水の温度（以下「スタック出口温度」という）を検出する。ここで、スタック入口温度およびスタック出口温度は、燃料電池スタック１の温度（循環ガスの温度）と対応する。換言すれば、これらの温度を検出するスタック入口温度センサ５２およびスタック出口温度センサ５３は、燃料電池スタック１の温度（循環ガスの温度）を検出する燃料電池温度検出手段として機能する。この場合、水素循環流路Ｌ２の燃料電池スタック１からの出口側が、スタック冷却流路Ｌ７の燃料電池スタック１への入口側と位置的に対応している場合には、スタック入口温度を参照すること好ましく、水素循環流路Ｌ２の燃料電池スタック１からの出口側が、スタック冷却流路Ｌ７の燃料電池スタック１への出口側と位置的に対応している場合には、スタック出口温度を参照すること好ましい。   Sensor signals from various sensors and the like are input to the control unit 50 in order to detect the state of the system. The pump temperature sensor 51 detects the temperature of the hydrogen circulation pump 12. The stack inlet temperature sensor 52 detects the temperature of cooling water for cooling the stack flowing into the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “stack inlet temperature”). The stack outlet temperature sensor 53 detects the temperature of the cooling water for cooling the stack flowing out from the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “stack outlet temperature”). Here, the stack inlet temperature and the stack outlet temperature correspond to the temperature of the fuel cell stack 1 (the temperature of the circulating gas). In other words, the stack inlet temperature sensor 52 and the stack outlet temperature sensor 53 that detect these temperatures function as fuel cell temperature detection means that detects the temperature of the fuel cell stack 1 (the temperature of the circulating gas). In this case, when the outlet side of the hydrogen circulation channel L2 from the fuel cell stack 1 corresponds to the inlet side of the stack cooling channel L7 to the fuel cell stack 1, the stack inlet temperature is referred to. Preferably, when the outlet side of the hydrogen circulation channel L2 from the fuel cell stack 1 corresponds to the outlet side of the stack cooling channel L7 to the fuel cell stack 1, the stack outlet temperature is referred to. It is preferable.

本実施形態との関係において、制御部５０は、システムの停止処理において、水素循環流路Ｌ２の配管温度よりも水素循環ポンプ１２の温度が高くなるように、水素循環ポンプ１２の温度を増加させる加熱制御を行う。また、制御部５０は、システムの停止処理において、水素循環ポンプ１２を回転駆動させる回転制御を行う。   In relation to the present embodiment, the control unit 50 increases the temperature of the hydrogen circulation pump 12 so that the temperature of the hydrogen circulation pump 12 is higher than the piping temperature of the hydrogen circulation flow path L2 in the system stop process. Control heating. Further, the control unit 50 performs rotation control for rotating the hydrogen circulation pump 12 in the system stop process.

このような構成を前提として、以下、本実施形態にかかる燃料電池ステムの制御方法に含まれる、システムの停止処理における水素循環ポンプ１２の凍結抑制制御について説明する。この凍結抑制制御は、システムの停止後（放置中）の低温環境において、水素循環流路Ｌ２内の水蒸気が凝縮し、これが水素循環ポンプ１２内の稼動部に付着することにより、水素循環ポンプ１２の可動部等の凍結を抑制する制御である。凍結抑制制御は、水素循環ポンプ１２の加熱制御と、水素循環ポンプ１２の回転制御とに区別することができる。   On the premise of such a configuration, freezing suppression control of the hydrogen circulation pump 12 in the system stop process, which is included in the control method of the fuel cell system according to the present embodiment, will be described below. In this freezing suppression control, water vapor in the hydrogen circulation flow path L2 condenses in a low-temperature environment after the system is stopped (being left), and adheres to the operating part in the hydrogen circulation pump 12, whereby the hydrogen circulation pump 12 It is the control which suppresses freezing of a movable part. Freezing suppression control can be classified into heating control of the hydrogen circulation pump 12 and rotation control of the hydrogen circulation pump 12.

図２は、本発明の第１の実施形態にかかる水素循環ポンプ１２の加熱制御の手順を示すフローチャートである。水素循環ポンプ１２の加熱制御は、燃料電池システムのシステム停止後に、凝縮水が水素循環ポンプ１２に集中的に発生することを抑制する制御である。このフローチャートに示す処理は、制御部５０によって実行される。   FIG. 2 is a flowchart showing a heating control procedure of the hydrogen circulation pump 12 according to the first embodiment of the present invention. The heating control of the hydrogen circulation pump 12 is a control that suppresses intensive generation of condensed water in the hydrogen circulation pump 12 after the fuel cell system is stopped. The processing shown in this flowchart is executed by the control unit 50.

まず、ステップ１（Ｓ１）において、例えば、イグニッションスイッチがオフされるといったように、システムの停止指令を取得したか否かが判断される。このステップ１において肯定判定された場合、すなわち、システムの停止指令を取得した場合には、システムの停止処理に相当するステップ２（Ｓ２）以降の処理に進む。一方、ステップ１において否定判定された場合、すなわち、システムの停止指令を取得していない場合には、所定時間後に再度ステップ１の処理を実行する。   First, in step 1 (S1), it is determined whether or not a system stop command has been acquired, for example, the ignition switch is turned off. If an affirmative determination is made in step 1, that is, if a system stop command is acquired, the process proceeds to step 2 (S2) and subsequent steps corresponding to the system stop process. On the other hand, if a negative determination is made in step 1, that is, if a system stop command has not been acquired, the process of step 1 is executed again after a predetermined time.

ステップ２において、スタック温度Ｔｓおよびポンプ温度Ｔｐが読み込まれる。スタック温度Ｔｓは、燃料電池スタック１の温度であり、システムの構成に応じて、スタック入口温度センサ５２またはスタック出口温度センサ５３から読み込まれる。これに対して、ポンプ温度Ｔｐは、水素循環ポンプ１２の温度であり、ポンプ温度センサ５１から読み込まれる。   In step 2, the stack temperature Ts and the pump temperature Tp are read. The stack temperature Ts is the temperature of the fuel cell stack 1 and is read from the stack inlet temperature sensor 52 or the stack outlet temperature sensor 53 depending on the system configuration. On the other hand, the pump temperature Tp is the temperature of the hydrogen circulation pump 12 and is read from the pump temperature sensor 51.

ステップ３（Ｓ３）において、ポンプ温度Ｔｐが制御開始温度Ｔsthよりも小さいか否か判断される。この制御開始温度Ｔsthは、後述する加熱制御を実施するか否かを判定するための温度であり、実験やシミュレーションを通じてその最適値が予め設定されている。具体的には、制御開始温度Ｔsthは、燃料電池スタック１の温度（より正確には、燃料電池スタック１からの循環ガスの熱影響を受ける水素循環流路Ｌ２の配管温度）よりもポンプ温度Ｔｐが低い場合には、加熱制御を行うとの観点から、ポンプ温度Ｔｐが燃料電池スタック１の温度よりも低いか否かを切り分ける値となっている（例えば、６０℃）。   In step 3 (S3), it is determined whether or not the pump temperature Tp is lower than the control start temperature Tsth. The control start temperature Tsth is a temperature for determining whether or not to perform heating control described later, and an optimal value is set in advance through experiments and simulations. Specifically, the control start temperature Tsth is higher than the temperature of the fuel cell stack 1 (more precisely, the piping temperature of the hydrogen circulation passage L2 affected by the heat of the circulation gas from the fuel cell stack 1). Is low, it is a value that determines whether the pump temperature Tp is lower than the temperature of the fuel cell stack 1 from the viewpoint of performing heating control (for example, 60 ° C.).

このステップ３において肯定判定された場合、すなわち、ポンプ温度Ｔｐが制御開始温度Ｔsthよりも小さい場合には、（Ｔｐ＜Ｔsth）、ステップ４（Ｓ４）に進む。一方、ステップ３において否定判定された場合、すなわち、ポンプ温度Ｔｐが制御開始温度Ｔsth以上の場合には（Ｔｐ≧Ｔsth）、ステップ７（Ｓ７）の処理にスキップする。   If an affirmative determination is made in step 3, that is, if the pump temperature Tp is lower than the control start temperature Tsth (Tp <Tsth), the process proceeds to step 4 (S4). On the other hand, if a negative determination is made in step 3, that is, if the pump temperature Tp is equal to or higher than the control start temperature Tsth (Tp ≧ Tsth), the process skips to step 7 (S7).

ステップ４において、水素循環ポンプ１２を加熱する加熱制御が行われる。具体的には、制御部５０は、基本的に、ポンプ冷却流路Ｌ４に設けられている加熱用ヒータ２０をオフ状態からオン状態へと切り替え、ポンプ冷却流路Ｌ４における冷却水の昇温を通じて、水素循環ポンプ１２の加熱を行う。また、制御部５０は、冷却水の温度を効率的に加熱するために、次に挙げるような制御を、加熱制御として追加的に行ってもよい。第１の制御としては、ポンプ冷却用循環ポンプ１７の回転数を低下させ、冷却水の流量を下げることにより、加熱用ヒータ２０の出口における冷却水の昇温効率を高めることである。また、第２の制御としては、ファン１９を停止させることにより、ラジエータ１８による放熱効率を低下させることである。   In step 4, heating control for heating the hydrogen circulation pump 12 is performed. Specifically, the control unit 50 basically switches the heater 20 provided in the pump cooling flow path L4 from the off state to the on state, and increases the temperature of the cooling water in the pump cooling flow path L4. Then, the hydrogen circulation pump 12 is heated. Further, the control unit 50 may additionally perform the following control as the heating control in order to efficiently heat the temperature of the cooling water. The first control is to increase the efficiency of raising the temperature of the cooling water at the outlet of the heater 20 by lowering the rotational speed of the pump cooling circulation pump 17 and lowering the flow rate of the cooling water. The second control is to reduce the heat radiation efficiency by the radiator 18 by stopping the fan 19.

ステップ５（Ｓ５）において、ポンプ温度Ｔｐが制御終了温度（Ｔｓ＋ΔＴth）以上となったか否かが判断される。この制御終了温度は、スタック温度Ｔｓと判定温度ΔＴthとの和であり、ポンプ温度Ｔｐがスタック温度Ｔｓよりも所定値以上高い状態であるか否かを判断するための温度である。そこで、判定温度ΔＴthは、実験やシミュレーションを通じてその最適値が予め設定されている（例えば、１０℃）。   In step 5 (S5), it is determined whether or not the pump temperature Tp is equal to or higher than the control end temperature (Ts + ΔTth). This control end temperature is the sum of the stack temperature Ts and the determination temperature ΔTth, and is a temperature for determining whether or not the pump temperature Tp is higher than the stack temperature Ts by a predetermined value or more. Therefore, the optimum value of the determination temperature ΔTth is set in advance through experiments and simulations (for example, 10 ° C.).

ステップ５において肯定判定された場合、すなわち、ポンプ温度Ｔpが制御終了温度以上の場合には（Ｔｐ≧Ｔｓ＋ΔＴth）、ステップ７に進む。一方、ステップ５において否定判定された場合、すなわち、ポンプ温度Ｔｐが制御終了温度よりも低い場合には（Ｔｐ＜Ｔｓ＋ΔＴth）、ステップ６（Ｓ６）の処理においてスタック温度Ｔｓおよびポンプ温度Ｔｐを読み込んだ後に、再度ステップ１の処理を実行する。   If an affirmative determination is made in step 5, that is, if the pump temperature Tp is equal to or higher than the control end temperature (Tp ≧ Ts + ΔTth), the process proceeds to step 7. On the other hand, when a negative determination is made in step 5, that is, when the pump temperature Tp is lower than the control end temperature (Tp <Ts + ΔTth), the stack temperature Ts and the pump temperature Tp are read in the process of step 6 (S6). Later, the process of step 1 is executed again.

ステップ７において、システムが停止される。具体的には、燃料電池スタック１に対する水素および酸素の供給を停止するとともに、ポンプ冷却流路Ｌ４における加熱用ヒータ２０をオフ状態に制御する。   In step 7, the system is stopped. Specifically, the supply of hydrogen and oxygen to the fuel cell stack 1 is stopped, and the heater 20 for heating in the pump cooling flow path L4 is controlled to be in an off state.

つぎに、水素循環ポンプ１２の回転制御について説明する。システムの通常運転中には、燃料電池スタック１より排出された液水または水蒸気が凝縮した液水が水素循環ポンプ１２内に付着している。そこで、水素循環ポンプ１２の回転制御として、水素循環ポンプ１２を回転させ、これにより、水素循環ポンプ１２に付着している凝縮水を水素循環流路Ｌ２へ排出する。水素循環ポンプ１２の回転制御は、制御部５０によって水素循環ポンプ１２の回転数を制御することにより実行される。   Next, rotation control of the hydrogen circulation pump 12 will be described. During normal operation of the system, liquid water discharged from the fuel cell stack 1 or liquid water condensed with water vapor adheres in the hydrogen circulation pump 12. Therefore, as the rotation control of the hydrogen circulation pump 12, the hydrogen circulation pump 12 is rotated, and thereby the condensed water adhering to the hydrogen circulation pump 12 is discharged to the hydrogen circulation flow path L2. The rotation control of the hydrogen circulation pump 12 is executed by controlling the number of rotations of the hydrogen circulation pump 12 by the control unit 50.

燃料電池システムの停止時において、水素循環ポンプ１２の加熱制御中は、加熱用ヒータ２０やポンプ冷却用循環ポンプ１７等の電力を賄う必要がある。この際、この賄い用の電力は、二次電池３に蓄えられた電力を利用することも可能であるが、次回の起動時に必要な電力を二次電池３に確保しておく必要があるため、燃料電池スタック１による発電電力を用いることとする。燃料電池スタック１にて発電を行う場合には、燃料電池スタック１への水素供給のため、水素循環ポンプ１２を駆動させる必要がある。この場合、通常発電中に付着していた凝縮水を水素循環ポンプ１２から排出するとの観点から、水素循環ポンプ１２の回転数を通常発電時のそれよりも大きな値に設定するものとする。   When the fuel cell system is stopped, during the heating control of the hydrogen circulation pump 12, it is necessary to provide power for the heating heater 20, the pump cooling circulation pump 17, and the like. At this time, it is possible to use the power stored in the secondary battery 3 as the power for bridging, but it is necessary to secure the necessary power in the secondary battery 3 at the next start-up. The power generated by the fuel cell stack 1 is used. When power generation is performed in the fuel cell stack 1, it is necessary to drive the hydrogen circulation pump 12 in order to supply hydrogen to the fuel cell stack 1. In this case, from the viewpoint of discharging the condensed water adhering during normal power generation from the hydrogen circulation pump 12, the rotational speed of the hydrogen circulation pump 12 is set to a value larger than that during normal power generation.

しかしながら、水素循環ポンプ１２の回転数が高い値に設定される程、その消費電力が大きくなり、水素循環ポンプ１２の発熱量も増加してしまう。この場合、水素循環ポンプ１２の過加熱による破損を防止するために、上述の加熱制御を中止する必要性があるため、ポンプ冷却流路における冷却水を十分に加熱できない虞がある。   However, as the rotational speed of the hydrogen circulation pump 12 is set to a higher value, the power consumption increases and the amount of heat generated by the hydrogen circulation pump 12 also increases. In this case, in order to prevent the hydrogen circulation pump 12 from being damaged due to overheating, it is necessary to stop the above-described heating control, and thus there is a possibility that the cooling water in the pump cooling channel cannot be sufficiently heated.

図３は、水素循環ポンプ１２の回転制御における水素循環ポンプ１２の回転数と温度との関係の説明図である。本実施形態では、停止処理として実行される水素循環ポンプ１２の加熱制御の初期段階では、通常発電時の回転数よりも高い回転数に設定して、水素循環ポンプ１２を制御する。そして、水素循環ポンプ１２の温度が上昇するに応じて、水素循環ポンプ１２の回転数が低くなるように、例えば、線形的に低くなるように回転数を設定して、水素循環ポンプ１２を制御する。これにより、水素循環ポンプ１２の温度（ポンプ温度Ｔｐ）が、その耐熱性能を超えるような著しい温度増加が抑制され、同図に示すように、過加熱を抑制しつつ、緩やかな勾配にて温度増加を実現することができる。   FIG. 3 is an explanatory diagram of the relationship between the rotation speed of the hydrogen circulation pump 12 and the temperature in the rotation control of the hydrogen circulation pump 12. In the present embodiment, in the initial stage of the heating control of the hydrogen circulation pump 12 that is executed as a stop process, the hydrogen circulation pump 12 is controlled by setting the rotation speed higher than the rotation speed during normal power generation. Then, as the temperature of the hydrogen circulation pump 12 rises, the number of revolutions of the hydrogen circulation pump 12 is set to be lower, for example, the number of revolutions is set linearly to control the hydrogen circulation pump 12. To do. As a result, the temperature of the hydrogen circulation pump 12 (pump temperature Tp) is suppressed from a significant increase in temperature that exceeds its heat resistance, and as shown in FIG. An increase can be realized.

以下、本実施形態にかかる凍結抑制制御の概念について説明する。図４は、本実施形態にかかる水素循環ポンプ１２の凍結抑制制御に関する概念説明のための図である。同図において、Ａ部は、水素循環ポンプ１２の極近傍の雰囲気、Ｂ部は、水素循環流路Ｌ２の配管における配管近傍かつ水素循環ポンプ１２近傍の雰囲気、Ｃ部は、水素循環流路Ｌ２の内部の雰囲気である。   Hereinafter, the concept of the freeze suppression control according to the present embodiment will be described. FIG. 4 is a diagram for explaining the concept related to the freeze suppression control of the hydrogen circulation pump 12 according to the present embodiment. In the figure, part A is the atmosphere in the vicinity of the hydrogen circulation pump 12, part B is the atmosphere in the vicinity of the piping of the hydrogen circulation channel L2 and in the vicinity of the hydrogen circulation pump 12, and part C is the hydrogen circulation channel L2. The atmosphere inside.

システムの停止直後、水素循環ポンプ１２の温度が、その前後の配管よりも温度が低い場合、以下に示す関係が成立する。   When the temperature of the hydrogen circulation pump 12 is lower than that of the pipes before and after the system is stopped, the following relationship is established.

（数式１）
ＴＣ＞ＴＢ＞ＴＡ
ここで、ＴＣはＣ部の温度、ＴＢはＢ部の温度、ＴＡはＡ部の温度である。 (Formula 1)
TC>TB> TA
Here, TC is the temperature of part C, TB is the temperature of part B, and TA is the temperature of part A.

水素循環流路Ｌ２の循環ガスは、通常発電中およびシステム停止後の放置中、基本的に相対湿度１００％のままとなっている。したがって、循環ガスの温度が露点（凝縮温度）と対応し、この露点より低いＡ部、Ｂ部では凝縮が始まる。Ａ部の蒸気が凝縮すると、Ａ部の蒸気圧が下がるため、それと平衡を保とうと、C部の蒸気が流れ込み、これがまた冷やされてＡ部で凝縮するというサイクルが続く。同様に、Ｂ部においても凝縮は発生するものの、蒸気の凝縮速度は、循環ガスの温度とＡ部の温度（またはＢ部の温度）との温度差に概ね比例する。そのため、水素循環ポンプ１２の温度が水素循環流路Ｌ２の配管温度より低ければ、水素循環ポンプ１２に凝縮水が集中的に付着することになる。   The circulating gas in the hydrogen circulation channel L2 remains basically 100% relative humidity during normal power generation and during standing after the system is stopped. Therefore, the temperature of the circulating gas corresponds to the dew point (condensation temperature), and condensation begins at the A part and the B part below the dew point. When the vapor in part A condenses, the vapor pressure in part A decreases, so that if kept in equilibrium with it, the vapor in part C flows, and this continues to be cooled and condensed in part A. Similarly, although condensation occurs in part B, the vapor condensation rate is generally proportional to the temperature difference between the temperature of the circulating gas and the temperature of part A (or the temperature of part B). Therefore, if the temperature of the hydrogen circulation pump 12 is lower than the piping temperature of the hydrogen circulation flow path L2, condensed water will concentrate on the hydrogen circulation pump 12.

図５は、通常運転中から放置中にかけての温度Ｔの状況と、付着する凝縮水量ＷＤと関係を示す説明図である。同図において、（ａ）は、凍結抑制制御を実施しないケースでの関係図であり、（ｂ）は、本実施形態の凍結抑制制御を実施したケースでの関係図である。ここで、ＬＮ１は循環ガスの温度推移、ＬＮ２は水素循環流路Ｌ２の配管の温度推移、ＬＮ３は水素循環ポンプ１２の温度推移を示す。また、ＬＮ４は水素循環ポンプ１２に付着する凝縮水量の推移、ＬＮ５は、水素循環流路Ｌ２の配管に付着する凝縮水量の推移を示す。   FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the state of the temperature T during normal operation and standing and the amount of condensed water adhering WD. In the figure, (a) is a relationship diagram in the case where the freeze suppression control is not performed, and (b) is a relationship diagram in the case where the freeze suppression control of the present embodiment is performed. Here, LN1 represents the temperature transition of the circulating gas, LN2 represents the temperature transition of the piping of the hydrogen circulation passage L2, and LN3 represents the temperature transition of the hydrogen circulation pump 12. Moreover, LN4 shows the transition of the amount of condensed water adhering to the hydrogen circulation pump 12, and LN5 shows the transition of the amount of condensed water adhering to the piping of the hydrogen circulation passage L2.

まず、同図（ａ）から分かるように、通常運転中であっても凝縮水は発生するものの、水素循環ポンプ１２が駆動し、循環ガスに流れがあるため、凝縮水量は少ない傾向となる。一方、システム停止後の放置中では、凝縮が始まり、温度の低い部分（水素循環ポンプ１２）に多くの凝縮水が発生する傾向となる。同図（ａ）において、斜線のハッチング領域は、凝縮水が発生しやすい領域を示している。また、温度が高いところでは、凝縮水量が多くなるので、停止直後の凝縮水量の立ち上がりが大きくなる。このため、水素循環ポンプ１２に凝縮水が集中的に付着してしまう。   First, as can be seen from FIG. 5A, although condensed water is generated even during normal operation, the amount of condensed water tends to be small because the hydrogen circulation pump 12 is driven and the circulating gas flows. On the other hand, during standing after the system is stopped, condensation starts and a lot of condensed water tends to be generated in the low temperature portion (hydrogen circulation pump 12). In FIG. 4A, hatched hatched areas indicate areas where condensed water is likely to be generated. Moreover, since the amount of condensed water increases at a high temperature, the rise of the condensed water amount immediately after the stop increases. For this reason, condensed water adheres intensively to the hydrogen circulation pump 12.

これに対して、本実施形態において、制御部５０は、システムの停止時において、水素循環ポンプ１２の周囲（前後）における水素循環流路Ｌ２の配管温度よりも水素循環ポンプ１２の温度が高くなるように、水素循環ポンプ１２の温度を増加させる加熱制御を行う。そのため、同図（ｂ）に示すように、水素循環ポンプ１２の温度が水素循環流路Ｌ２の配管温度よりも高くなるため、システム停止後の放置中では、温度の低い水素循環流路Ｌ２の配管に多くの凝縮水が発生する。同図（ｂ）において、斜線のハッチング領域は、凝縮水が発生しやすい領域を示している。これにより、水素循環ポンプ１２に凝縮水が付着するといった事態を抑制することができる。そのため、システム停止中にバッテリ等の電力を利用しなくても、水素循環ポンプ１２の凍結を抑制することができる。   On the other hand, in the present embodiment, the controller 50 causes the temperature of the hydrogen circulation pump 12 to be higher than the piping temperature of the hydrogen circulation passage L2 around (around) the hydrogen circulation pump 12 when the system is stopped. Thus, the heating control for increasing the temperature of the hydrogen circulation pump 12 is performed. Therefore, as shown in FIG. 4B, the temperature of the hydrogen circulation pump 12 becomes higher than the piping temperature of the hydrogen circulation flow path L2. A lot of condensed water is generated in the piping. In FIG. 2B, the hatched area with hatching indicates an area where condensed water is likely to be generated. Thereby, the situation where condensed water adheres to the hydrogen circulation pump 12 can be suppressed. Therefore, freezing of the hydrogen circulation pump 12 can be suppressed without using electric power from a battery or the like while the system is stopped.

また、本実施形態によれば、システムの通常運転時において、水素循環ポンプ１２を冷却する冷却水の設定温度が、燃料電池スタック１を冷却する冷却水の設定温度よりも低く設定されている。かかる構成によれば、システム停止時には、水素循環ポンプ１２の方が水素循環流路Ｌ２の配管よりも相対的に温度が低い関係となり、水素循環ポンプ１２に凝縮水が集中的に付着してしまう可能性があるが、水素循環ポンプ１２の加熱制御を行うことにより、水素循環ポンプ１２に凝縮水が付着するといった事態を抑制することができる。   Further, according to the present embodiment, during the normal operation of the system, the set temperature of the cooling water for cooling the hydrogen circulation pump 12 is set lower than the set temperature of the cooling water for cooling the fuel cell stack 1. According to such a configuration, the temperature of the hydrogen circulation pump 12 is relatively lower than that of the piping of the hydrogen circulation flow path L2 when the system is stopped, and condensed water adheres to the hydrogen circulation pump 12 in a concentrated manner. Although there is a possibility, by performing heating control of the hydrogen circulation pump 12, it is possible to suppress a situation in which condensed water adheres to the hydrogen circulation pump 12.

また、本実施形態では、水素循環ポンプ１２の冷却用のラジエータ１８から水素循環ポンプ１２へと流れる冷却水を加熱用ヒータ２０によって加熱し、この冷却水を介して、水素循環ポンプ１２を加熱している。かかる構成によれば、加熱用ヒータ２０がラジエータ１８の後段に位置するため、水素循環ポンプ１２の保温性の向上を図ることができる。そのため、水素循環ポンプ１２よりも先に水素循環流路Ｌ２の配管が冷え易くなるので、水素循環ポンプ１２への凝縮水の付着をさらに抑制することができる。   In the present embodiment, the cooling water flowing from the radiator 18 for cooling the hydrogen circulation pump 12 to the hydrogen circulation pump 12 is heated by the heater 20, and the hydrogen circulation pump 12 is heated via the cooling water. ing. According to such a configuration, the heater 20 for heating is located at the rear stage of the radiator 18, so that the heat retaining property of the hydrogen circulation pump 12 can be improved. For this reason, the piping of the hydrogen circulation flow path L <b> 2 can be easily cooled before the hydrogen circulation pump 12, so that the condensed water can be further prevented from adhering to the hydrogen circulation pump 12.

また、本実施形態によれば、制御部５０は、水素循環ポンプ１２の温度が燃料電池スタック１の温度を基準に、予め設定された判定温度ΔＴth以上上昇するまで、水素循環ポンプ１２の加熱制御を行う。かかる構成によれば、水素循環ポンプ１２を、燃料電池スタック１の温度（循環ガスの温度）よりも高い温度まで増加させることができる。これにより、水素循環ポンプ１２の保温性の向上を図ることができる。そのため、水素循環ポンプ１２よりも先に水素循環流路Ｌ２の配管が冷え易くなるので、水素循環ポンプ１２への凝縮水の付着をさらに抑制することができる。また、水素循環ポンプ１２の温度をモニタリングすることができるので、水素循環ポンプ１２が加熱され過ぎて、例えば、破損してしまうといった不都合を抑制するのに役立つ。なお、本実施形態では、ポンプ温度センサ５１は、水素循環ポンプ１２の温度を直接的に検出するものであるが、ポンプ冷却流路Ｌ４を流れる冷却水の温度から、水素循環ポンプ１２の温度を検出する構成であってもよい。かかる構成であっても、同様の効果を奏することができる。   Further, according to the present embodiment, the control unit 50 controls the heating of the hydrogen circulation pump 12 until the temperature of the hydrogen circulation pump 12 rises by a predetermined determination temperature ΔTth or more with reference to the temperature of the fuel cell stack 1. I do. According to such a configuration, the hydrogen circulation pump 12 can be increased to a temperature higher than the temperature of the fuel cell stack 1 (circulation gas temperature). Thereby, the heat retention of the hydrogen circulation pump 12 can be improved. For this reason, the piping of the hydrogen circulation flow path L <b> 2 can be easily cooled before the hydrogen circulation pump 12, so that the condensed water can be further prevented from adhering to the hydrogen circulation pump 12. Further, since the temperature of the hydrogen circulation pump 12 can be monitored, it is useful for suppressing inconvenience that the hydrogen circulation pump 12 is overheated and, for example, is damaged. In the present embodiment, the pump temperature sensor 51 directly detects the temperature of the hydrogen circulation pump 12, but the temperature of the hydrogen circulation pump 12 is determined from the temperature of the cooling water flowing through the pump cooling flow path L4. The structure to detect may be sufficient. Even if it is this structure, there can exist the same effect.

また、本実施形態によれば、制御部５０は、システムの停止時において、水素循環ポンプ１２を回転駆動させるとともに、この初期時の回転数を上限として、水素循環ポンプ１２の温度上昇に応じて回転数を低下させるように、水素循環ポンプ１２を制御する回転制御をさらに行う。かかる構成によれば、水素循環ポンプ１２の回転駆動により、通常運転中に付着する凝縮水を排出することができる。また、水素循環ポンプ１２の消費電力を低減させ、また、水素循環ポンプ１２の耐熱性を維持しつつ、水素循環ポンプ１２用の冷却液の温度を高めることができる。これにより、水素循環ポンプ１２の保温性の向上を図ることができる。そのため、水素循環ポンプ１２よりも先に水素循環流路Ｌ２の配管が冷え易くなるので、水素循環ポンプ１２への凝縮水の付着をさらに抑制することができる。ただし、水素循環ポンプ１２の過加熱を気にする必要がないのであれば、回転数を低下させる必要はない。   In addition, according to the present embodiment, the control unit 50 drives the hydrogen circulation pump 12 to rotate when the system is stopped, and responds to the temperature increase of the hydrogen circulation pump 12 with the initial number of rotations as the upper limit. Rotational control for controlling the hydrogen circulation pump 12 is further performed so as to reduce the rotational speed. According to this configuration, the condensed water adhering during the normal operation can be discharged by the rotational drive of the hydrogen circulation pump 12. Further, the power consumption of the hydrogen circulation pump 12 can be reduced, and the temperature of the coolant for the hydrogen circulation pump 12 can be increased while maintaining the heat resistance of the hydrogen circulation pump 12. Thereby, the heat retention of the hydrogen circulation pump 12 can be improved. For this reason, the piping of the hydrogen circulation flow path L <b> 2 can be easily cooled before the hydrogen circulation pump 12, so that the condensed water can be further prevented from adhering to the hydrogen circulation pump 12. However, if it is not necessary to worry about overheating of the hydrogen circulation pump 12, it is not necessary to reduce the rotational speed.

さらに、本実施形態によれば、この水素循環流路Ｌ２は、水素循環ポンプ１２に接続するその上流側の配管および下流側の配管に対して、薄肉化がなされている。かかる構成によれば、水素循環ポンプ１２の上流側および下流側の配管が、水素循環ポンプ１２よりも外気に対する温度低下速度が大きくなるので、配管内面に凝縮水付着を促すことができる。これのより、水素循環ポンプ１２への凝縮水の付着をさらに抑制することができる。なお、配管内面に付着した凝縮水が凍結した場合には、流路の圧損が若干増加する可能性があるが、その薄肉化の領域が長い程、氷の膜の厚みが減るので、圧損増加を抑制するうえで好ましい。また、水素循環流路Ｌ２内の水蒸気が、薄肉化された配管内で凝縮し、凍結する可能性があるが、この際の圧力損失を考慮し、配管径を細く設定しておくことも可能である。   Further, according to the present embodiment, the hydrogen circulation flow path L2 is thinned with respect to the upstream pipe and the downstream pipe connected to the hydrogen circulation pump 12. According to such a configuration, the upstream and downstream piping of the hydrogen circulation pump 12 has a higher temperature decrease rate with respect to the outside air than the hydrogen circulation pump 12, and therefore it is possible to promote the attachment of condensed water to the inner surface of the piping. Accordingly, it is possible to further suppress the condensed water from adhering to the hydrogen circulation pump 12. If condensed water adhering to the inner surface of the pipe freezes, the pressure loss of the flow path may increase slightly. However, the longer the thinned area, the smaller the thickness of the ice film. It is preferable in suppressing the above. In addition, the water vapor in the hydrogen circulation flow path L2 may condense and freeze in the thinned pipe, but it is possible to set the pipe diameter narrow in consideration of the pressure loss at this time. It is.

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この第２の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、水素循環ポンプ１２の冷却系の構成である。なお、第１の実施形態と共通する構成・制御手順については、説明を省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。 (Second Embodiment)
FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the second embodiment. The fuel cell system according to the second embodiment is different from that of the first embodiment in the configuration of the cooling system of the hydrogen circulation pump 12. In addition, about the structure and control procedure which are common in 1st Embodiment, suppose that description is abbreviate | omitted and demonstrates below centering on difference.

具体的には、ポンプ冷却流路Ｌ４には、水素循環ポンプ１２側からの冷却水を、ラジエータ１８を迂回させて水素循環ポンプ１２に循環させるバイパス流路Ｌ９が設けられている。ポンプ冷却流路Ｌ４からバイパス流路Ｌ９へと分岐する分岐部位には、バイパス流路Ｌ９とポンプ冷却流路Ｌ４のラジエータ１８側との間で流路を切り替え可能な三方弁（切替手段）２１が設けられている。   Specifically, the pump cooling flow path L4 is provided with a bypass flow path L9 for circulating the cooling water from the hydrogen circulation pump 12 side to the hydrogen circulation pump 12 by bypassing the radiator 18. A three-way valve (switching means) 21 that can switch the flow path between the bypass flow path L9 and the radiator 18 side of the pump cooling flow path L4 is provided at a branch portion that branches from the pump cooling flow path L4 to the bypass flow path L9. Is provided.

この構成において、制御部５０は、水素循環ポンプ１２の加熱制御時には、三方弁２１を制御して、冷却水の流路をバイパス流路Ｌ９側へと切り替える。   In this configuration, the control unit 50 controls the three-way valve 21 during the heating control of the hydrogen circulation pump 12 to switch the cooling water flow path to the bypass flow path L9 side.

かかる構成によれば、水素循環ポンプ１２の保温性の向上を図ることができる。そのため、水素循環ポンプ１２よりも先に水素循環流路Ｌ２の配管が冷え易くなるので、水素循環ポンプ１２への凝縮水の付着をさらに抑制することができる。   According to such a configuration, the heat retention of the hydrogen circulation pump 12 can be improved. For this reason, the piping of the hydrogen circulation flow path L <b> 2 can be easily cooled before the hydrogen circulation pump 12, so that the condensed water can be further prevented from adhering to the hydrogen circulation pump 12.

（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す説明図である。この第３の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、水素循環ポンプ１２の冷却系の構成である。なお、第１の実施形態と共通する構成・制御手順については、説明を省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。 (Third embodiment)
FIG. 7 is an explanatory diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the third embodiment. The fuel cell system according to the third embodiment is different from that of the first embodiment in the configuration of the cooling system of the hydrogen circulation pump 12. In addition, about the structure and control procedure which are common in 1st Embodiment, suppose that description is abbreviate | omitted and demonstrates below centering on difference.

具体的には、本実施形態では、ポンプ冷却流路Ｌ４において、加熱用ヒータ２０が省略された構成となっている。そのため、水素循環ポンプ１２の加熱制御を行う場合には、水素循環ポンプ１２の駆動にともなう発熱を利用する。換言すれば、本実施形態における水素循環ポンプ１２は、水素循環ポンプ１２による循環ガスの圧送動作にともなう発熱により、自己を加熱するポンプ調温手段としての機能も担っている。   Specifically, in the present embodiment, the heater 20 for heating is omitted in the pump cooling flow path L4. Therefore, when the heating control of the hydrogen circulation pump 12 is performed, the heat generated by driving the hydrogen circulation pump 12 is used. In other words, the hydrogen circulation pump 12 in the present embodiment also has a function as a pump temperature adjusting means for heating itself by heat generated by the circulating gas pumping operation by the hydrogen circulation pump 12.

水素循環ポンプ１２の加熱制御時は、水素循環ポンプ１２の回転数を所定値とするとともに、ポンプ冷却流路Ｌ４におけるポンプ冷却用循環ポンプ１７の回転数を低下させる。これにより、水素循環ポンプ１２で発生した熱を他の部分で放熱させないようにする。   During the heating control of the hydrogen circulation pump 12, the rotation speed of the hydrogen circulation pump 12 is set to a predetermined value, and the rotation speed of the pump cooling circulation pump 17 in the pump cooling flow path L4 is decreased. As a result, the heat generated by the hydrogen circulation pump 12 is prevented from being dissipated in other parts.

かかる構成によれば、第１の実施形態と同様、システム停止後の放置中では、温度の低い水素循環流路Ｌ２の配管に多くの凝縮水が発生する。そのため、水素循環ポンプ１２に凝縮水が付着するといった事態を抑制することができる。また、本実施形態によれば、加熱用のヒータ等を設ける必要がないので、システム構成の簡素化を図ることができる。さらに、水素循環ポンプ１２は、ヒータ等に比べると温度増加のスピードが遅く可能性があるが、加熱制御に要する時間を大きく設定することにより、簡素な構成にて、水素循環ポンプ１２に凝縮水が付着するといった事態を抑制することができる。   According to such a configuration, as in the first embodiment, a large amount of condensed water is generated in the piping of the hydrogen circulation passage L2 having a low temperature during standing after the system is stopped. Therefore, the situation where condensed water adheres to the hydrogen circulation pump 12 can be suppressed. Further, according to the present embodiment, it is not necessary to provide a heater or the like for heating, so that the system configuration can be simplified. Further, the hydrogen circulation pump 12 may be slower in temperature increase than a heater or the like, but by setting the time required for heating control to be large, the hydrogen circulation pump 12 can be supplied with condensed water with a simple configuration. It is possible to suppress a situation such as adhesion.

なお、第３の実施形態に示す第１の実施形態の変形的な手法は、第２の実施形態および後述する実施形態に対しても同様に適用可能である。   Note that the modified method of the first embodiment shown in the third embodiment can be similarly applied to the second embodiment and later-described embodiments.

（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この第４の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、水素循環ポンプ１２の冷却系と燃料電池スタック１の冷却系とが流路を共用していることである。なお、第１の実施形態と共通する構成・制御手順については、説明を省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。 (Fourth embodiment)
FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the fourth embodiment. The fuel cell system according to the fourth embodiment is different from that of the first embodiment in that the cooling system of the hydrogen circulation pump 12 and the cooling system of the fuel cell stack 1 share a flow path. It is. In addition, about the structure and control procedure which are common in 1st Embodiment, suppose that description is abbreviate | omitted and demonstrates below centering on difference.

本実施形態におけるポンプ冷却流路Ｌ１０は、スタック冷却流路Ｌ７におけるスタック冷却用循環ポンプ４０の下流において分岐して、水素循環ポンプ１２に接続する。また、ポンプ冷却流路Ｌ１０は、水素循環ポンプ１２を経由した後に、スタック冷却流路Ｌ７におけるスタック冷却用循環ポンプ４０の上流において合流する。   The pump cooling flow path L10 in the present embodiment is branched downstream of the stack cooling circulation pump 40 in the stack cooling flow path L7 and connected to the hydrogen circulation pump 12. Further, after passing through the hydrogen circulation pump 12, the pump cooling passage L10 joins upstream of the stack cooling circulation pump 40 in the stack cooling passage L7.

このような構成において、水素循環ポンプ１２の加熱制御では、第１の実施形態と同様に、加熱用ヒータ２０により、冷却液の加熱を行う。具体的には、加熱開始時、冷却水の温度はスタック入口温度と同じであるため、水素循環ポンプ１２の冷却系が独立しているシステムよりも温度の増加幅が小さい可能性があり、これにより、速やかに水素循環ポンプ１２の温度を、燃料電池スタック１の温度より判定温度ΔＴth以上に加熱することができる。また、スタック冷却流路Ｌ７において、バイパス流路Ｌ８を流すように三方弁４３を制御することにより、冷却液（すなわち、水素循環ポンプ１２）を効率よく加熱することができる。また、加熱用ヒータ２０により冷却水は熱を享受するが、燃料電池スタック１の熱容量に比べ水素循環ポンプ１２の熱容量は小さい。そのため、燃料電池スタック１に比べ、水素循環ポンプ１２の方が、温度は上昇しやすい。   In such a configuration, in the heating control of the hydrogen circulation pump 12, the cooling liquid is heated by the heater 20 as in the first embodiment. Specifically, since the temperature of the cooling water is the same as the stack inlet temperature at the start of heating, there is a possibility that the increase in temperature may be smaller than the system in which the cooling system of the hydrogen circulation pump 12 is independent. Thus, the temperature of the hydrogen circulation pump 12 can be quickly heated to the determination temperature ΔTth or higher than the temperature of the fuel cell stack 1. In addition, by controlling the three-way valve 43 so that the bypass flow path L8 flows in the stack cooling flow path L7, the coolant (that is, the hydrogen circulation pump 12) can be efficiently heated. Further, although the cooling water enjoys heat by the heater 20, the heat capacity of the hydrogen circulation pump 12 is smaller than the heat capacity of the fuel cell stack 1. Therefore, compared with the fuel cell stack 1, the temperature of the hydrogen circulation pump 12 is likely to rise.

また、水素循環ポンプ１２の回転制御については、第１の実施形態と同様である。図９は、水素循環ポンプ１２の回転制御における水素循環ポンプ１２の回転数と温度との関係の説明図である。具体的には、停止処理として実行される水素循環ポンプ１２の加熱制御の初期段階では、通常発電時の回転数よりも高い回転数に設定して、水素循環ポンプ１２を制御する。そして、水素循環ポンプ１２の温度が上昇するに応じて、水素循環ポンプ１２の回転数が低くなるように、例えば、線形的に低くなるように回転数を設定して、水素循環ポンプ１２を制御する。これにより、水素循環ポンプ１２の温度（ポンプ温度Ｔｐ）が、その耐熱性能を超えるような著しい温度増加が抑制され、同図に示すように、過加熱を抑制しつつ、緩やかな勾配にて温度増加を実現することができる。   Further, the rotation control of the hydrogen circulation pump 12 is the same as in the first embodiment. FIG. 9 is an explanatory diagram of the relationship between the rotation speed of the hydrogen circulation pump 12 and the temperature in the rotation control of the hydrogen circulation pump 12. Specifically, in the initial stage of the heating control of the hydrogen circulation pump 12 executed as the stop process, the hydrogen circulation pump 12 is controlled by setting the rotation speed higher than the rotation speed during normal power generation. Then, as the temperature of the hydrogen circulation pump 12 rises, the number of revolutions of the hydrogen circulation pump 12 is set to be lower, for example, the number of revolutions is set linearly to control the hydrogen circulation pump 12. To do. As a result, the temperature of the hydrogen circulation pump 12 (pump temperature Tp) is suppressed from a significant increase in temperature that exceeds its heat resistance, and as shown in FIG. An increase can be realized.

かかる構成によれば、第１の実施形態と同様、システム停止後の放置中では、温度の低い水素循環流路Ｌ２の配管に多くの凝縮水が発生する。そのため、水素循環ポンプ１２に凝縮水が付着するといった事態を抑制することができる。また、水素循環ポンプ１２を冷却するための独立した冷却系、例えば、ラジエータ、ファン、ポンプ冷却用循環ポンプといった構成が不要となるので、システム全体として、コストや重量の低下および構成的な簡素化を実現することができる。   According to such a configuration, as in the first embodiment, a large amount of condensed water is generated in the piping of the hydrogen circulation passage L2 having a low temperature during standing after the system is stopped. Therefore, the situation where condensed water adheres to the hydrogen circulation pump 12 can be suppressed. In addition, since an independent cooling system for cooling the hydrogen circulation pump 12, such as a radiator, a fan, and a pump cooling circulation pump, is not required, the entire system is reduced in cost, weight, and structural simplification. Can be realized.

（第５の実施形態）
図１０は、第５の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この第５の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、水素循環ポンプ１２の冷却系と燃料電池スタック１の冷却系とが流路を共用していることである。なお、第１の実施形態と共通する構成・制御手順については、説明を省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。 (Fifth embodiment)
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to the fifth embodiment. The fuel cell system according to the fifth embodiment is different from that of the first embodiment in that the cooling system of the hydrogen circulation pump 12 and the cooling system of the fuel cell stack 1 share a flow path. It is. In addition, about the structure and control procedure which are common in 1st Embodiment, suppose that description is abbreviate | omitted and demonstrates below centering on difference.

本実施形態におけるポンプ冷却流路Ｌ１１は、スタック冷却流路Ｌ７における燃料電池スタック１の下流において分岐して、水素循環ポンプ１２に接続する。また、ポンプ冷却流路Ｌ１１は、水素循環ポンプ１２を経由した後に、スタック冷却流路Ｌ７におけるスタック冷却用循環ポンプ４０の上流において合流する。   The pump cooling flow path L11 in the present embodiment branches downstream of the fuel cell stack 1 in the stack cooling flow path L7 and is connected to the hydrogen circulation pump 12. Further, after passing through the hydrogen circulation pump 12, the pump cooling passage L11 joins upstream of the stack cooling circulation pump 40 in the stack cooling passage L7.

第１の実施形態で述べるように、停止処理中は、燃料電池スタック１は発電している。そのため、スタック冷却流路Ｌ７では、燃料電池スタック１よりも上流に比べ、その下流の方が、冷却水の温度が高くなる。そのため、第４の実施形態と比較して、これにより、水素循環ポンプ１２の温度を、速やかに燃料電池スタック１の温度より判定温度ΔＴth以上に加熱することができる。   As described in the first embodiment, the fuel cell stack 1 generates power during the stop process. Therefore, in the stack cooling flow path L7, the temperature of the cooling water is higher in the downstream than in the upstream of the fuel cell stack 1. Therefore, as compared with the fourth embodiment, this allows the temperature of the hydrogen circulation pump 12 to be quickly heated above the determination temperature ΔTth from the temperature of the fuel cell stack 1.

また、水素循環流路Ｌ２の燃料電池スタック１における出口側が、スタック冷却流路Ｌ７の燃料電池スタック１における入口側に相当する場合には、通常運転時に、以下に示す関係が成立する。   Further, when the outlet side of the hydrogen circulation channel L2 in the fuel cell stack 1 corresponds to the inlet side of the stack cooling channel L7 in the fuel cell stack 1, the following relationship is established during normal operation.

（数２）
Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３≦Ｔ４
ここで、Ｔ１は、水素循環流路Ｌ２の循環ガスの温度であり、Ｔ２は、スタック入口温度である。また、Ｔ３は、スタック出口温度であり、Ｔ４は、ポンプ冷却流路Ｌ４における水素循環ポンプ１２の入口側温度である。 (Equation 2)
T1 ≦ T2 ≦ T3 ≦ T4
Here, T1 is the temperature of the circulating gas in the hydrogen circulation channel L2, and T2 is the stack inlet temperature. T3 is the stack outlet temperature, and T4 is the inlet side temperature of the hydrogen circulation pump 12 in the pump cooling flow path L4.

そのため、水素循環ポンプ１２の加熱制御において、温度の増加幅が小さく、短時間で加熱制御を行うことができる。   Therefore, in the heating control of the hydrogen circulation pump 12, the temperature increase is small and the heating control can be performed in a short time.

なお、通常運転中は、高い温度の冷却水が水素循環ポンプ１２に供給される虞があるが、水素循環ポンプ１２に対する冷却水の流量を増大させる等といった手法により冷却性能を確保することにより、水素循環ポンプ１２の性能が悪化するといった事態を抑制することができる。   During normal operation, high-temperature cooling water may be supplied to the hydrogen circulation pump 12, but by ensuring cooling performance by a method such as increasing the flow rate of cooling water to the hydrogen circulation pump 12, The situation where the performance of the hydrogen circulation pump 12 deteriorates can be suppressed.

以上、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムおよびその制御方法について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能である。   Although the fuel cell system and the control method thereof according to the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the invention.

例えば、水素循環ポンプ１２の保温性をさらに向上させる手段として、その表面に断熱材を添付したり、水素循環ポンプ１２の止め点に断熱材を間挿したりしてもよい。また、水素循環ポンプ１２の構造としても、水素循環ポンプ１２の冷却部と、水素を圧送する循環部（例えば、インペラ、ボリュート）とが、熱的に導通していることが望ましい。この場合、水素循環ポンプ１２に対する冷却水が有している熱を効率よく循環部に伝えることで、凝縮水の付着を抑制でき、凍結による循環部の固着等を抑制することができる。また、循環部（ボリュート）に冷却液を通水させる構造としてもよい。   For example, as a means for further improving the heat retaining property of the hydrogen circulation pump 12, a heat insulating material may be attached to the surface thereof, or a heat insulating material may be inserted at a stopping point of the hydrogen circulation pump 12. Moreover, also as a structure of the hydrogen circulation pump 12, it is desirable that the cooling part of the hydrogen circulation pump 12 and the circulation part (for example, an impeller and a volute) for pumping hydrogen are thermally connected. In this case, the heat of the cooling water with respect to the hydrogen circulation pump 12 is efficiently transmitted to the circulation part, so that adhesion of condensed water can be suppressed, and sticking of the circulation part due to freezing can be suppressed. Moreover, it is good also as a structure which makes coolant flow through a circulation part (volute).

また、各実施形態では、燃料電池スタック１の燃料極に対応する循環系を備える構成であるが、本発明は、これに限定されない。燃料電池スタック１の酸化剤極に対応する循環系を備える構成において、その酸化剤ガスを循環させるポンプ手段に凍結抑制制御を適用してもよい。   Moreover, in each embodiment, although it is the structure provided with the circulation system corresponding to the fuel electrode of the fuel cell stack 1, this invention is not limited to this. In the configuration including a circulation system corresponding to the oxidant electrode of the fuel cell stack 1, the freeze suppression control may be applied to a pump unit that circulates the oxidant gas.

第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図1 is a block diagram showing the overall configuration of a fuel cell system according to a first embodiment. 第１の実施形態にかかる水素循環ポンプ１２の加熱制御の手順を示すフローチャートThe flowchart which shows the procedure of the heating control of the hydrogen circulation pump 12 concerning 1st Embodiment. 水素循環ポンプ１２の回転制御における水素循環ポンプ１２の回転数と温度との関係の説明図Explanatory drawing of the relationship between the rotation speed of hydrogen circulation pump 12 and temperature in rotation control of hydrogen circulation pump 12 水素循環ポンプ１２の凍結抑制制御に関する概念説明のための図The figure for the concept explanation about the freezing suppression control of the hydrogen circulation pump 12 通常運転中から放置中にかけての温度Ｔの状況と付着する凝縮水量ＷＤと関係を示す説明図Explanatory drawing which shows the relationship between the state of temperature T during normal operation and standing and the amount of condensed water WD adhering 第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the fuel cell system concerning 2nd Embodiment. 第３の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す説明図Explanatory drawing which shows the structure of the fuel cell system concerning 3rd Embodiment. 第４の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the fuel cell system concerning 4th Embodiment. 水素循環ポンプ１２の回転制御における水素循環ポンプ１２の回転数と温度との関係の説明図Explanatory drawing of the relationship between the rotation speed of hydrogen circulation pump 12 and temperature in rotation control of hydrogen circulation pump 12 第５の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the fuel cell system concerning 5th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料電池スタック
２ 電動モータ
３ 二次電池
１０ 燃料タンク
１１ 水素調圧バルブ
１２ 水素循環ポンプ
１３ 気液分離装置
１４ 排水バルブ
１５ パージバルブ
１７ ポンプ冷却用循環ポンプ
１８ ラジエータ
１９ ファン
２０ 加熱用ヒータ
２１ 三方弁
３０ コンプレッサ
３１ 空気調圧バルブ
４０ スタック冷却用循環ポンプ
４１ ラジエータ
４２ ファン
４３ 三方弁
５０ 制御部
５１ ポンプ温度センサ
５２ スタック入口温度センサ
５３ スタック出口温度センサ
Ｌ１ 水素供給流路
Ｌ２ 水素循環流路
Ｌ３ パージ流路
Ｌ４ ポンプ冷却流路
Ｌ５ 空気供給流路
Ｌ６ 空気排出流路
Ｌ７ スタック冷却流路
Ｌ８ バイパス流路
Ｌ９ バイパス流路
Ｌ１０ ポンプ冷却流路
Ｌ１１ ポンプ冷却流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Electric motor 3 Secondary battery 10 Fuel tank 11 Hydrogen pressure regulation valve 12 Hydrogen circulation pump 13 Gas-liquid separator 14 Drain valve 15 Purge valve 17 Pump cooling circulation pump 18 Radiator 19 Fan 20 Heating heater 21 Three-way valve DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 Compressor 31 Air pressure regulation valve 40 Stack cooling circulation pump 41 Radiator 42 Fan 43 Three-way valve 50 Control part 51 Pump temperature sensor 52 Stack inlet temperature sensor 53 Stack outlet temperature sensor L1 Hydrogen supply flow path L2 Hydrogen circulation flow path L3 Purge flow Road L4 Pump cooling flow path L5 Air supply flow path L6 Air discharge flow path L7 Stack cooling flow path L8 Bypass flow path L9 Bypass flow path L10 Pump cooling flow path L11 Pump cooling flow path

Claims (11)

燃料電池システムにおいて、
反応ガスが供給されることにより、当該反応ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
反応ガス供給手段からの反応ガスを前記燃料電池に供給する反応ガス供給流路と、
前記燃料電池から排出される排出ガスを、前記反応ガス供給流路を流れる反応ガスに合流させて前記燃料電池に循環させる反応ガス循環流路と、
前記反応ガス循環流路に設けられており、前記燃料電池からの排出ガスを圧送するポンプ手段と、
前記ポンプ手段の温度を増加させるポンプ調温手段と、
システムの停止時に実行する停止処理において、前記反応ガス循環流路の配管温度よりも前記ポンプ手段の温度が高くなるように、前記ポンプ調温手段を制御する加熱制御を行う制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system,
A fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting the reaction gas by supplying the reaction gas; and
A reaction gas supply channel for supplying a reaction gas from the reaction gas supply means to the fuel cell;
A reaction gas circulation passage for causing the exhaust gas discharged from the fuel cell to join the reaction gas flowing through the reaction gas supply passage and circulate in the fuel cell;
A pump means provided in the reaction gas circulation flow path for pumping exhaust gas from the fuel cell;
Pump temperature control means for increasing the temperature of the pump means;
Control means for performing heating control for controlling the pump temperature control means so that the temperature of the pump means becomes higher than the piping temperature of the reaction gas circulation flow path in the stop processing executed when the system is stopped. A fuel cell system. 前記ポンプ手段に配設されたポンプ冷却流路を流れる冷却液を介して、前記ポンプ手段を冷却するポンプ冷却手段と、
前記燃料電池に配設された燃料電池冷却流路を流れる冷却液を介して、前記燃料電池を冷却する燃料電池冷却手段とをさらに有し、
前記ポンプ冷却手段は、システムの通常運転時における冷却液の設定温度が、前記燃料電池冷却手段における冷却液の設定温度よりも低い温度に設定されていることを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。 A pump cooling means for cooling the pump means via a coolant flowing in a pump cooling flow path disposed in the pump means;
A fuel cell cooling means for cooling the fuel cell via a coolant flowing through a fuel cell cooling channel disposed in the fuel cell;
2. The pump cooling unit according to claim 1, wherein the set temperature of the coolant during normal operation of the system is set to a temperature lower than the set temperature of the coolant in the fuel cell cooling unit. Fuel cell system. 前記ポンプ冷却流路に設けられており、前記ポンプ冷却手段から前記ポンプ手段へと流れる冷却液を加熱する冷却液加熱手段をさらに有し、
前記ポンプ調温手段は、前記冷却液加熱手段によって加熱された冷却液を介して、前記ポンプ手段を加熱する手段であることを特徴とする請求項２に記載された燃料電池システム。 Provided in the pump cooling flow path, further comprising a coolant heating means for heating the coolant flowing from the pump cooling means to the pump means;
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the pump temperature control means is means for heating the pump means via the coolant heated by the coolant heating means. 前記ポンプ調温手段は、前記ポンプ手段による圧送動作にともなう自己の発熱により、前記ポンプ手段を加熱する手段であること特徴とする請求項１または２に記載された燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the pump temperature adjusting means is means for heating the pump means by its own heat generated by a pumping operation by the pump means. 4. 前記ポンプ冷却流路において、前記ポンプ冷却手段をバイパスするバイパス流路と、前記ポンプ冷却手段側との間で冷却液の流れを切り替え可能な切替手段を有し、
前記制御手段は、前記加熱制御として、前記切替手段を介して冷却液の流れを前記バイパス流路側に切り替えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載された燃料電池システム。 In the pump cooling flow path, it has switching means capable of switching the flow of the coolant between a bypass flow path that bypasses the pump cooling means and the pump cooling means side,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the control means switches the flow of the coolant to the bypass flow path side through the switching means as the heating control. 前記ポンプ手段の温度を検出するポンプ温度検出手段と、
前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段とをさらに有し、
前記制御手段は、前記ポンプ温度検出手段によって検出された温度が、前記燃料電池温度検出手段によって検出された温度を基準として予め設定された判定温度以上上昇するまで、前記加熱制御を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載された燃料電池システム。 Pump temperature detecting means for detecting the temperature of the pump means;
Fuel cell temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell,
The control means performs the heating control until the temperature detected by the pump temperature detection means rises above a determination temperature set in advance with reference to the temperature detected by the fuel cell temperature detection means. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5. 前記ポンプ冷却流路を流れる冷却液の温度から、前記ポンプ手段の温度を検出するポンプ温度検出手段と、
前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段とをさらに有し、
前記制御手段は、前記ポンプ温度検出手段によって検出された温度が、前記燃料電池温度検出手段によって検出された温度を基準として予め設定された判定温度以上上昇するまで、前記加熱制御を行うことを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載された燃料電池システム。 A pump temperature detecting means for detecting the temperature of the pump means from the temperature of the coolant flowing through the pump cooling flow path;
Fuel cell temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell,
The control means performs the heating control until the temperature detected by the pump temperature detection means rises above a determination temperature set in advance with reference to the temperature detected by the fuel cell temperature detection means. A fuel cell system according to any one of claims 2 to 5. 前記制御手段は、前記停止処理において、前記ポンプ手段を回転駆動させるとともに、当該停止処理開始時の回転数を上限として、当該ポンプ手段の温度上昇に応じて回転数を低下させるように、前記ポンプ手段を制御する回転制御をさらに行うことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載された燃料電池システム。   In the stop process, the control means drives the pump means to rotate, and sets the rotation speed at the start of the stop process as an upper limit, and reduces the rotation speed in accordance with the temperature rise of the pump means. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, further comprising a rotation control for controlling the means. 前記反応ガス循環流路は、前記ポンプ手段に接続する上流側の配管と下流側の配管とが、前記ポンプ手段よりも外気に対する温度低下速度が大きくなるように設定された配管によって構成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載された燃料電池システム。   The reactive gas circulation flow path is configured by a pipe in which an upstream pipe and a downstream pipe connected to the pump unit are set so that a temperature decrease rate with respect to outside air is larger than that of the pump unit. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein 前記ポンプ手段に配設されたポンプ冷却流路を流れる冷却液を介して、前記ポンプ手段を冷却するポンプ冷却手段と、
前記燃料電池に配設された燃料電池冷却流路を流れる冷却液を介して、前記燃料電池を冷却する燃料電池冷却手段とをさらに有し、
前記ポンプ冷却流路は、前記燃料電池冷却流路を流れる冷却液を共用することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。 A pump cooling means for cooling the pump means via a coolant flowing in a pump cooling flow path disposed in the pump means;
A fuel cell cooling means for cooling the fuel cell via a coolant flowing through a fuel cell cooling channel disposed in the fuel cell;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the pump cooling channel shares a coolant flowing through the fuel cell cooling channel. 3. 反応ガスが供給されることにより、当該反応ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法において、
反応ガス供給流路を介して、前記反応ガスを前記燃料電池に供給する第１のステップと、
前記燃料電池から排出される排出ガスを、反応ガス循環流路に設けられたポンプ手段によって圧送して、前記反応ガス供給流路を流れる反応ガスに合流させて前記燃料電池に循環させる第２のステップと、
システムの停止時に実行する停止処理において、前記反応ガス循環流路の配管温度よりも前記ポンプ手段の温度が高くなるように、加熱制御を行う第３のステップと
を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 In a control method of a fuel cell system including a fuel cell that generates power by electrochemically reacting the reaction gas by supplying the reaction gas,
A first step of supplying the reaction gas to the fuel cell via a reaction gas supply channel;
The exhaust gas discharged from the fuel cell is pumped by pump means provided in the reaction gas circulation flow path, joined to the reaction gas flowing through the reaction gas supply flow path, and circulated to the fuel cell. Steps,
And a third step of performing heating control so that the temperature of the pump means is higher than the piping temperature of the reaction gas circulation flow path in the stop process executed when the system is stopped. How to control the system.
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